乘用車驅動軸布置參數化動力學仿真分析

王曉強 馬義超 江振偉 馬書林 林棟

摘要：利用動力學軟件ADAMS/Car建立帶有驅動軸系統的乘用車前懸架分析模型，重點考察動力總成位置調整對驅動軸滑移、夾角特性的影響。以某車前懸架為例，通過對內球節硬點坐標參數化處理，得到在僅對動力總成位置調整時的驅動軸夾角及總滑移量變化趨勢，并結合布置要求，得到滿足驅動軸系統布置的內節中心硬點可行域。該方法可有效避免動力總成調整的盲目性，同時能極大減少布置校核次數，對整車開發過程中驅動軸布置具有重要的指導意義。

關鍵詞：驅動軸;參數化;動力學仿真

中圖分類號：U463.218+.6 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）02-0068-04

引言

隨著現有乘用車種類的不斷增多，消費者在購車時更加注重汽車行駛過程中的動力性、操控性以及行駛穩定性。為滿足該需求，現代乘用車多采用實用性更強的前置前驅方式，即前輪同時具備轉向和驅動的功能。作為轉向輪，要求車輪能在一定的轉角范圍內實現角度的任意偏轉;而作為驅動輪，則要求驅動軸能夠在車輪任意偏轉狀態下仍將差速器輸出端動力以等角速度傳遞至車輪。

在前驅型乘用車上，因獨立懸架具有更好的舒適性和布置空間而得到了廣泛的應用，而為滿足獨立懸架上下跳動（單輪跳動或雙輪反向跳動）的要求，驅動軸不僅需實現等速運轉，還需具有一定長度的軸向滑移。目前應用于獨立懸架上的驅動軸，輪轂側多使用定心等速萬向節（即外節），差速器側則為可伸縮型球籠萬向節（即內節）。

對于前置前驅車型，由于在行駛過程中車輪的轉向及上下跳動，使得驅動軸的球節夾角及滑移量在時刻改變。而在驅動軸工作過程中，扭矩傳遞效率會隨著半軸夾角的增大而降低，同時當滑移量和工作角度過大，萬向節內部會因摩擦而誘發軸向力的產生，在運轉過程中易與汽車其他部件產生共振，引起車身抖動，影響乘坐和駕駛的舒適性，因此在設計初期即需要對驅動軸滑移擺角進行分析。

國內有些技術人員做過有關驅動軸的研究工作，也有些技術人員進行過虛擬運動分析，但其研究多集中在單個驅動軸的性能方面，而非從懸架或整車布置的角度來考慮優化驅動軸的布置狀態。本文應用MSC/ADAMS建立某乘用車前懸架動力學分析模型，對影響驅動軸滑移、夾角特性的因素（如動力總成）進行了考慮，對動力總成位置進行參數化定義，結合驅動軸滑移夾角設計要求，對動力總成位置進行優化，以使得驅動軸處于最佳工作區域，避免后續因驅動軸位置姿態等帶來的整車振動及噪音問題。

1 建立懸架動力學分析模型

多體動力學是虛擬樣機技術的理論基礎，基于多體動力學理論，利用ADAMS/Car模塊，采用自下而上的建模順序建立懸架系統仿真分析模型。以某款乘用車為例，根據前懸架硬點建立如下帶有驅動軸系統的麥弗遜獨立懸架模型（圖1）。

2 模型參數化設計

由于汽車在行駛過程中因路況、駕駛操作的不同而使懸架處于各種不同狀態，因此在設計初期即需要對不同狀態下的驅動軸進行分析以確保其工作的可靠性。

利用上述建立好的動力學分析模型，根據整車輸入信息（即輪跳和轉向行程）可對懸架模型進行快速仿真分析，得到驅動軸的布置結果（包括球節夾角及總滑移量）并以此判斷該結果是否符合驅動軸設計要求。但在實際設計過程中，動力總成初始布置位置往往不合理而使得驅動軸分析結果不滿足設計要求，從而需重復調整動力總成位置。同時當某一車型搭載多種不同動力總成時，需進行布置校核的次數將會成倍增加，這極大的增加了產品工程師的工作量。

鑒于此，本文在上述建立的前懸架模型的基礎上，對動力總成位置進行參數化處理，如圖2所示。表中將對動力總成位置的調整轉化至驅動軸內球節中心點，即以內球節中心點坐標的變化反映動力總成位置的調整。

3 動力總成布置位置分析及優化

應用上述建立好的參數化懸架模型，通過對內球節中心點坐標（等同于動力總成硬點）進行系列化取值，得到在不同工況下驅動軸的運動特性。圖3為對左驅動半軸內球節中心點X值進行系列化取值，得到動力總成在不同X值下外球節設計狀態（即半載狀態，下同）夾角變化趨勢（如圖4所示），從拋物線狀變化趨勢可知，當差速器輸出軸線與前輪輪心線越接近，半軸外球節設計狀態夾角越小?；谕瑯拥姆椒?，可以得到在對半軸內節中心點Y值、Z值進行調整時，半軸內、外球節設計狀態夾角的變化趨勢。

而對于在實際布置校核中同樣需十分關注的半軸內球節極限夾角、外球節極限夾角以及內節總滑移量，因其最大值往往與轉向行程及懸架姿態有關，因此當改變動力總成某一坐標值時即可得到一條或數條曲線，根據曲線極限值判斷夾角和滑移量是否滿足設計要求。如圖5為對動力總成Z值調整（在一定數值范圍內均勻選取20組坐標點），得到20條滑移量變化曲線（圖中每條曲線為無轉向、懸架進行一個完整跳動行程）。

但為得到與實際情況接近的內節總滑移量，還需考慮轉向與懸架同時發生變化的變化情況。當轉向不為零時，滑移量曲線也會與圖5中的曲線有所不同（初始時刻滑移量將不為零）。在實際校核過程中往往根據經驗將轉向過程劃分為9個狀態，同時考慮在不同轉向時刻的輪跳行程（如當前輪左轉向至極限位置時，外側車輪上跳行程僅為上跳定義行程的80%，內側車輪上跳行程為上跳定義行程的70%，下跳行程則仍為100%），根據9組曲線數據的極值得到與實際情況一致的內球節總滑移量。如圖6為內節總滑移量隨動力總成Z向調整時的變化曲線，采用相同的方法也可以得到在對動力總成進行X、Y值調整時，半軸球節極限夾角和總滑移量的變化情況。

在實際整車布置過程中，往往需要對驅動半軸設計狀態夾角、極限夾角以及總滑移量加以限制，以使車輛在運動過程中半軸處于良好的工作狀態，當布置狀態不佳時即可出現下述情況：

當設計狀態夾角過大時，驅動軸傳遞效率將會明顯降低，并且在駕駛過程中容易產生整車抖動、振動噪音，影響乘坐舒適性，同時在車輛急加速狀態下還可能產生扭矩轉向不良的情況。當極限夾角過大時，萬向節易因角度變化范圍過大而引起磨損，從而降低驅動軸整體使用壽命。當內球節總滑移量過大時，半軸傳遞效率會下降，同時若滑移擺角曲線與球節特性框布置匹配不合理時，還易存在球節拉出或球節頂至殼體底部的風險，影響整車NVH性能。

結合各主機廠對半軸布置要求及上述動力總成位置調整對校核結果影響關系，可以得到在不調整懸架硬點、僅通過調整動力總成位置以達到滿足驅動軸布置要求的硬點可行域，當驅動軸內球節中心點在該空間可行域時校核得到的結果均滿足布置要求。圖7為以三段式半軸為例，藍色部分為滿足要求的內節中心點可行域。

4結論

通過上述基于ADAMS軟件建立的帶有驅動軸系統的前懸架參數化模型，將驅動軸系統位置參數化，分析了動力總成各向調整對驅動軸布置校核結果的影響關系，提供了動力總成位置調整優化方案。根據球節夾角、滑移量隨動力總成調整時的變化趨勢，同時結合半軸設計布置要求，可確定出滿足驅動軸系統布置狀態的硬點調整范圍，該空間可行域范圍可用于同車型不同動力總成的搭載。

可行域范圍的求解對整車實際布置具有重要指導意義，使得在硬點調整過程中不再盲目，同時能夠給出半軸布置最佳位置，對減少實車NVH風險具有重要意義。同時該分析方法還可拓展至懸架硬點參數化，以研究懸架各硬點變化時對驅動軸夾角滑移量的影響關系。